土工合成材料防治公路边坡病害的应用技术

  1．黄土地区公路边坡病害类型及成因

   黄土地区公路边坡病害破坏形式可归结为两种基本类型，即坡面破坏，包括剥落和冲刷等；坡体破坏，包括崩坍、坡脚坍塌、滑坡和流泥等。

   1)边坡坡面破坏

   (1)剥落

   坡面剥落是黄土边坡变形的一种普通现象，会发生在各种黄土层中，虽然这种边坡变形不是坡体整体变形，但对路堑边沟危害极大，会引起其他更严重的边坡变形或破坏，处理也十分困难。剥落按其形态一般有以下4类：

   ①鱼鳞状剥落：这种变形易发生在含易溶盐多(一般为1％-2％)的地区，即新第四系风积黄土和冲积洪积黄土中。

   ②片状剥落：主要发生在新第四系风积和近代坡积的均质黄土层中。这种土层的较陡峻边坡表面，常形成一层厚约3-4cm的硬壳，这层硬壳在自然营力作用下呈大块片状剥落。

   ③层状剥落：主要发生在洪积冲积黄土互层中，这类黄土多由黏土、砂黏土及砂等互层构成。由于各层的岩性、含水量以及含易溶盐情况不同，使得风化的快慢和强烈程度也不尽相同。一般黏粒含量高者，剥落快而严重，相比较而言，粉土粒和砂粒含量高者剥落较轻、较慢，因而形成层状或带状的剥落现象。

   ④混合状剥落：边坡坡面剥落并非如上面那样类型单一，有时几种剥蚀类型同时出现。这是由于黄土表层的剥落，直接同黄土的岩性有关，因而在同一坡上可能同时出现几种类型剥落现象的混合状剥落。

   (2)坡面冲刷

   坡面冲刷是常见的公路边坡变形，会引起大量的水土流失。坡面冲刷使坡面呈沟状或洞穴状，一般形成坡肩冲刷坍塌、坡面冲刷串沟、坡面冲刷跌水、坡脚冲刷掏空、坡面冲刷沟穴、岩石接触的冲刷沟穴等。黄土边坡坡面冲刷与土层、岩性、微地貌条件、水文条件等有密切的关系。

   2)边坡坡体破坏

   ①崩坍：黄土边坡崩坍是土体沿节理面倒坍和下错的斜坡动力地质现象，是多种自然因素及人为因素综合作用的结果。主要影响因素有地层岩性、地质构造、降水、气温变化、人为因素或地质运动等。

   对黄土而言，土层节理发育，边坡陡峻，在风化和水的冲蚀、浸润作用下，坡脚严重冲刷，往往会使坡体崩坍。

   ②坡脚坍塌：坡脚坍塌易在湿陷性新黄土中发生。因其结构松散，坡脚松软受水浸湿或冲刷会发生坡脚局部坍塌，一般规模较小，但较普遍。坡脚坍塌是产生滑坡的前提，也有可能诱发规模更大的坍塌。

   ③滑坡：滑坡是土体沿着明显的滑动带或滑动面下滑，滑动面呈上陡下缓的圆弧状。其产生原因，主要是由于黄土的强度下降引起的土体稳定性平衡破坏。大型滑坡常发生在松散结构或黄色湿陷性黄土层中，在新黄土中也会出现小型滑坡。滑坡多发生在老黄土和岩土间出现不整合倾斜接触面处，此处的黄土本身稳定性差，遇水作用或其他条件如地震、大爆破等作用下，极易产生土体滑移和崩坍。

   ④流泥：呈斜坡状的黄土如果土质松散，具有渗水性较小的下卧层时，土体在地下水或在地下水与地表水相互作用下浸润黄土土体，使土饱和形成塑性流动，称之为流泥。它可能诱发其他病害，使边坡出现崩坍或滑坡等更严重的破坏。

   3)边坡破坏的影响因素

   边坡破坏的影响因素主要有内因和外因两方面。

   (1)内在因素

   ①黄土的成因：松散结构的新黄土和密实结构的黄土，具有不同的密实性和物质组成，稳定性也不一样，一般坡积的松散结构黄土最不稳定。

   ②黄土的结构和构造：黄土中存在不同节理且特性不同，组成结构的均匀程度、结构孔隙特征、夹层及构造的变动等都影响着边坡的稳定。

   ③下卧层：下卧层的岩性、产状、风化程度及与黄土的接触关系等，也影响着边坡的稳定。

   ④物质成分：由于易溶盐含量的变迁，矿物组成不同，土体的变形状况也不一样，都会引起土体强度的变化，从而影响边坡的稳定。

   ⑤物理力学性质：与黄土边坡稳定性有关的物理力学指标有黏粒和砂粒含量、干密度、液限等，以及塑性指数、天然含水量、孔隙率和抗剪强度等物理力学指标。

   (2)外界因素

   环境条件的改变是促使边坡变形发生发展的外界原因。

   ①地貌单元和微地貌特征：边坡在阶地上所处位置、坡顶的汇水条件及陷穴、暗洞、坑沟、低洼积水、冲沟的位置和分布状况等，对边坡的稳定有直接影响。

   ②水文条件：如地下水的出露，地表水对坡面、坡脚、截水沟和边沟的浸湿和冲刷等。渗入土体中的水将引起土体重量增加及强度的降低，渗入裂隙和节理中的水产生的静水压力，将促进冲沟、陷穴的发展，对边坡的稳定极为不利。

   ③风化与震动等自然外力：由于黄土节理发育，受大气雨水和地震及车辆行车引起的震动等，都有可能促使边坡变形，导致边坡失稳。

   (3)人为因素

   设计、施工和养护不当，人为对边坡的破坏，都是引起边坡破坏的直接原因。

   2．黄土地区公路边坡病害防治方案的选择

   黄土边坡的防护是黄土地区公路建设中的一个突出问题。如果不能及时有效地对黄土边坡进行科学防护，不仅容易造成水土流失，严重时还会危及工程的安全，造成巨大浪费。图7-51所示为未做防护的边坡破坏情况。

   目前，在黄土地区常用的边坡防护方法有直接植草防护、拱式砌石或3m× 3m浆砌片石结合植草防护、六角形预制块边坡防护及土工网植被防护等，各自有各自的优缺点。

   (1)直接植草防护

   直接植草防护具有方法简单、施工方便、成本低廉的优点，但在黄土地区有着不宜植物生长的致命缺点。在宁夏黄土地区，草籽撒播后，容易受风吹雨淋等因素的影响而大量流失，导致坡面植草覆盖率很低。同时坡面又没有任何加筋处理，雨季时，在暴雨和径流的冲蚀下最终导致坡面破坏。因此，直接植草防护可靠度极低，不适宜于黄土边坡防护。

   (2)拱式砌石或3m×3m浆砌片石结合植草防护该方法由于施工繁琐、速度慢、劳动强度大、造价高等缺点不宜推广应用。

   (3)六角形预制块防护是上述3m×3m骨架防护的改进。由于六角形预制块中间空格面积较小，最大限度地减小了坡面防护对植草绿化的依赖性。换言之，即使坡面绿化效果不好，也不容易产生太严重的冲蚀现象，目前应用较多。

   (4)土工网植被防护

   为了满足护坡和绿化的要求，近年来多采用土工网(CE131)与植被结合的方法。土工网的厚度为5mm，开孔尺寸为27mm× 27mm，其开孔率为70％，即30％的坡面被土工网覆盖，以免受雨水的直接冲击。该方法的优点是造价较低，施工方便，能满足一定的护坡绿化要求；缺点是由于其厚度只有5mm，所以在草皮未长成之前草籽易被风雨冲蚀，致使表面绿化效果参差不齐。同时，由于其网眼较大，导致草根的连接和啮合作用较小，这样就削弱了护坡的整体效果。因此可靠度较低，在暴雨的冲刷下容易产生冲沟。

虽然有多种边坡防护方式，但由于黄土具有不宜植物生长与极易冲刷的特殊性，用于黄土地区的公路边坡防护，都不能取得有效的护坡效果。

   3．土工合成材料防治黄土地区公路边坡病害的基本原理

   将土工织物置于土体表面或相邻土层之间，可以有效地阻止土颗粒通过，从而防止由于土颗粒的过量流失造成土体的破坏。同时，允许土中的水或气体穿过织物自由排出，以免由于孔隙水压力的升高而造成土体的失稳等不利后果。

   土工网垫是由单层或多层塑料凹凸网和平面网经热熔后黏结成的一种稳定立体结构。面层外观凸凹不平，材质疏松柔韧，留有约90％的空间填充土壤及砂粒；底部平面网延伸率较低，强度较高，能防止土体滑坡，植物根系可穿过土壤深入地下0.5-2m深，使植被、网垫和土形成牢固的嵌锁。因此，土工网垫一方面具有防止水土流失的作用，同时又具有保持水流通畅的效果，能够起到护坡的作用。

   土工格室是目前国内外较为流行的一种新型高强度土工合成材料，是由强化的HDPE片，经高强力焊接而形成的一种三维网状格室结构。它具有伸缩自如、运输可缩叠、施工时可张开成网状的特点。展开后的格室壁形成一层层挡墙，可以缓解水流流速，避免坡面径流的形成。格室内可填充土壤，上面可以植草或灌木，具有理想的绿化效果。另外，土工格室因具有整体性和一定的柔性，大大弥补了片石骨架防护具有的松动、塌陷、架空等缺陷，并且具有施工快捷、造价低等优点。

   黄土地区公路边坡形成的雨水径流，可能使边坡土体产生严重渗透和冲刷而导致破坏。利用土工格室可以通过换土改变边坡土的性质，保证坡面的整体稳定性；利用土工网垫的过滤、排水及防冲刷机理，结合生物防护，通过对地表水形成的径流的疏排、截阻、封闭等，可防止地表水的冲刷和渗入，起到护坡和美化环境的作用。如果将二者结合使用，不仅可以保护路基边坡表面免受雨水冲刷、减缓温差及温度变化的影响，而且还能够防止坡面失稳，保证路基边坡的整体稳定性，并达到路基美化和协调自然环境的效果。

   4．土工格室换土稳定边坡结合三维网垫植草护坡的应用技术

   (1)材料选型

   土工合成材料的选择要充分考虑其工程特性，把握适用性与经济性相结合、因地制宜与合理取材相结合以及有利施工与方便养护相结合的原则，必要时进行方案比选。

   ①土工格室

   试验方案选择型号为TGLG－PE－100的高密度聚乙烯土工格室。

   ②土工网垫

   由于土工网垫长期裸露于大气中受紫外线照射，具有褪色变脆的缺点，因此，要求所选型号在暴露下的使用寿命不小于5年；水土保持能力系数不小于5；30mm的回弹恢复率不小于80％。

   (2)土工格室施工工艺

   ①先将边坡上的碎石、杂草等杂物清理干净，然后将边坡整平到设计坡度。

   ②挂线确定固定钉位置，如图7-53所示。确定坡面铺设格室的起始位置并挂线，挂线位置要准确，且保证横、纵线位垂直。钉子位置是从边上第一个小室开始，自上而下每隔1.1m(两个小室)一排钉子，自左向右每隔0.88m(一个小室)一列钢钉，并且每块格室材料顶部的第一排加密。按0.44m一个钉子确定位置并在相应的位置上打入1.0m长的铁钉，除了土层松软部分也打入1.0m长的铁钉外，中、下部钉子的长度为50cm，但不要完全打入，外留部分以15cm为宜。钉子可由直径为12mm螺纹钢筋制成，并带5cra的弯钩。

   ③坡顶修整成外高内低的反坡槽，槽宽1-2m，内深0.5m。从坡顶反坡槽挂起，然后顺坡自上而下铺设。挂格室时要盯准格室行，保证钉子应在小格室的相应位置，然后将钉子打入，并使钉子的顶部正好卡住格室壁的上边缘。

   ④按同样方法铺设第二块格室，上下及左右相邻格室之间用虹0mm的塑料螺栓、螺母通过格室孔连接，要求死扣并扣紧。

   ⑤考虑到坡面的稳定性，根据边坡不同的坡度和高度，在坡面顶部和坡面中间位置，做一部分混凝土桩，以增加格室面的稳定性，顶部可用排水沟压住。

   ⑥重复以上3-5道工序。

   ⑦坡面格室铺完之后，即可向格室内填充种植土。种植土按15(土)：1(羊粪)比例，并按每平方米加入20g复合肥进行混合。种植土要求经反复浇水、补土，直至拍实填满，并辅以人工木板使坡面平齐，并保证坡面密实平顺。

   (3)土工网垫施工工艺

   ①准备：根据坡面长度将土工网垫裁剪好，搬运到工地，开始铺设三维植被网。

   ②覆网：用小木棍穿于整卷网垫中，从上而下顺坡平铺网垫，使土工网垫与坡面密贴，不允许悬空、歪斜或有皱褶，上下沟槽内应使网垫有足够的反压量。土工网垫上下边均按倒L形埋入土中，埋深不小于0.4m，回转长度不小于0.2m，埋入后应充分夯实，不得有凹坑造成积水。

   ③固定：土工网垫平铺于坡面上，铺设范围包括路肩和坡脚，其搭接宽度不小于5cm。当网垫需要上下连接时，应让坡上部分压住坡下部分10cm以上。铺设时网垫与格室用铁丝或U形梢钉将其按梅花形固定，间距1.0m。

   ④网上覆土：在平铺固定密贴的土工网垫上撒细粒腐殖土，稍盖住网垫并拍实，使土粒充满网泡。喷水使松散的种植土沉降密实，再向坡面填充细粒腐殖土，覆土以不超过中层网面为准。

   ⑤播种：在平整密贴的网垫上适当洒水使土粒密实湿润，将草籽与肥料、保水剂、黏合剂、纤维等辅助材料均匀搅拌，利用专用液力喷播机进行喷播植草。如果采用人工播种，可将草种与肥料及细土按1：10的比例均匀混合后，均匀地撒在网垫上。边坡靠上部分应适当增加草籽用量，播撒完毕后，用扫帚轻扫一遍，以保证草种全部落入网垫内部。

   ⑥覆土：如果采用人工播种，应在已播种的土工网垫上用过筛的细粒腐殖土，将种子盖住，并保证种子的均匀和稳定，以防网垫悬空。结合喷水使土充满三维网垫，并以土层覆盖住最上面网面为准。播撒时应选在无风天气进行，避开高温多雨和低温寒冷季节。

   ⑦覆盖遮阴网：由于宁夏属于干旱地区，紫外线辐射强烈，为降低强光照射，保持水分，以提高种子的成活率，宜加盖遮阴网。

   ⑧洒水：浇水时应呈雾状喷洒，时间选在早晨或傍晚进行，必须避开阳光强烈的时段。

   ⑨后期管理：肥料应根据土质和草的生长期进行科学选择，施肥应适量、适时。

   (4)效果分析

   将土工格室与三维网垫结合用于黄土边坡防护，在宁夏银古高速公路上获得成功，起到了保护边坡和美化环境的作用，效果十分明显。

   ①土工格室植草护坡是20世纪90年代以来开始应用的斗种新的护坡技术，属于骨架防护的一种，在国外已广泛用于坡面防护工程。土工格室是由聚乙烯片材经高强度焊接而制成的一种三维密封小室结构，展开后的小室内可以填充种植土并均匀撒播草籽，能使不毛之地的边坡充分绿化。同时，带孔的格室还能提高坡面的排水性能。可以说，土工格室是前面提到的六角形预制块的改进，与六角形预制块相比，土工格室造价降低一半，施工速度更快。

   ②三维网垫是由多层塑料凹凸网和高强度平面网组成，并在交接点处经热熔后形成的一种稳定的立体网结构。三维网结构质地疏松、柔韧、有合适的高度(18mm)和空间，留有90％以上的空间用来填充并储存泥土和沙粒，底网强度较高可防止坡体下滑。

   ③三维网与平面网比较，具有良好的固土效果。试验证明，在草皮未形成前，当坡面斜角为45°时，三维土工网垫的固土阻滞率高达97.5％，远胜于平面网，是平面网的更新换代产品。

   ④在撒种之后，草皮没有长成之前，网垫可以牢固地保护草种，免受风吹雨冲而散失，并使之均匀地分布在坡面上，同时还可保护坡面免受风雨侵蚀。

   ⑤由于网垫表面粗糙凹凸，使风、水流在网垫表面产生无数的小漩涡，起到消能作用。当草皮长成之后，与网垫及泥土三者形成一种牢固的复合嵌锁体。三维网的表层、中间及网下的土已被植被的根系盘错、连接、穿越和纠缠时，坡土会上下穿接，左右相连，集点成面，整坡一体。即使在植物生长状况较差的年份，三维网与根系、土壤所形成的强有力格室与三维网垫植被防护的护坡面壳，依然可防止暴雨及狂风的冲袭，也是较佳的防护方法。

   从造价和防护效果两方面分析，三维网垫和土工格室植草护坡是经济美观、防护效果最佳的护坡方式，应得到广泛应用。